Der Einfluss von Rückätzung, Prepreg und Harzfluss auf differentielle Impedanzwerte

von

Alan Staniforth und Martyn Gaudion

Viele Leiterplattenhersteller berichten, dass der gemessene Impedanzwert von differentiellen Leitungspaaren um einige Ohm höher als der für FR4 berechnete Wert ist. Es gibt mehrere Ursachen für diese Abweichungen: 

1. die Genauigkeit der eingesetzten Berechnungssoftware
2. Abweichungen des Leiterquerschnitts
3. Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Substrates

Die von den Autoren verwendete Software [1], stimmt mit hoher Genauigkeit mit den exakten theoretischen Impedanzgleichungen - speziell bei einer Leiterdicke von 0 - überein. Die in Abschnitt 3 angeführte Software ermittelt Impedanzwerte, welche mit einer Genauigkeit von 25x10^-2% mit den Werten der Software von Abschnitt 1 übereinstimmt. Daraus wird abgeleitet, dass die berechneten Impedanzen korrekt sind.

In den Berechnungen des Querschnitts wird ein gleichförmiges Trapez zugrunde gelegt - d.h. die Flankenneigung auf beiden Seiten der Leiterbahn ist identisch. Abbildung 1 zeigt ein eingebettetes Leiterpaar mit identischen Microstrip-Leitungen. Um die Rechenkapazität und Rechenzeit zu reduzieren, setzen die meisten kommerziellen Softwarepakete zur Berechnung der differentiellen Impedanz eine symmetrische Anordnung an einer Mittellinie wie in Abbildung 1 voraus. Dies bedeutet, dass die Flankenform für beide Leiterbahnen gleich ist.

Tabelle 1 zeigt die differentielle Impedanz für eine Embedded Microstrip bei verschiedenen Ätzfaktoren.

w1 = 75, d₁ = 500, d₂ = 100, s = 100, t = 35. Alle Abmessungen in µm.

e _r1 = e _r2 = 4.2

Tabelle 1 zeigt, dass die Impedanz abhängig von der Flankenform um mehrere Ohm abweichen kann. Um die Impedanz korrekt berechnen zu können, muss die Flankenform daher bekannt sein.

Bei der Herstellung von Embedded Microstrip und Stripline wird zuerst die Leiterbahn auf einem FR4-Kern geätzt und dann mit Prepreg FR4 unter Druck und Hitze verpresst. Prepreg weist einen geringeren Glasanteil und einen höheren Harzanteil als Kernmaterial auf. Bei der Fertigung von differentiellen Leitungen fließt das Harz in den Zwischenraum zwischen den beiden Leiterbahnen wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt.

Die Dielektrizitätskonstante von Prepreg ist niedriger als von Kernmaterial da die mittlere Dielektrizitätskonstante von dem Verhältnis aus Glas und Harz abhängt [2]. Die Dielektrizitätskonstante von Glasfaser ist 6.1 und jene von Harz liegt bei ca. 3.2. Da die meisten verfügbaren Softwarepakete davon ausgehen, dass die Dielektrizitätskonstante von Kern- und Prepregmaterial identisch ist, wird ein Mittelwert von 4.2 für Kern und Prepreg angenommen. Dies kann jedoch zu Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Impedanzwerten führen - speziell wenn Harz in die Zwischenräume fließt.

Um die Impedanz bei Substraten mit mehreren Lagen unterschiedlichen Materials zu berechnen, wurde spezielle Software entwickelt. Diese kann auch für die Berechnung von dünnen Harzschichten zwischen Leiterbahnen eingesetzt werden. Diese Software verwendet eine andere Methode als in Abschnitt 1 beschrieben. Die Ergebnisse der Berechnungen für Differential Embedded Microstrip und Stripline werden im nächsten Abschnitt behandelt. 

Tabelle 2 fasst die Ergebnisse für die differentielle Impedanz einer Embedded Microstrip zusammen.

w1 = 75, w = 65, d₁ = 500, d₂ = 100.

Spalte A: s = 100, t = 35

Spalte B: s = 75, t = 17

Alle Abmessungen in µm.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für eine Stripline.

w1 = 75, w = 65, s = 100, t = 35.

Spalte A: d₁ = d₂ = 100,

Spalte B: d₁ = d₂ = 500

Alle Abmessungen in µm.

Beide Tabellen zeigen die berechnete Impedanz für ein homogenes Material mit einer Dielektrizitätskonstante e _r von 4.2 ; bei dieser Kontrollrechnung wird angenommen, dass das e _r zwischen den Leiterbahnen identisch ist mit der Dielektrizitätskonstanten des Gesamtmaterials. Unter der Annahme, dass eine Prepreg-Lage harzreicher im Vergleich zu Kernmaterial ist, wird das Aufbringen einer Lage mit einem e _r 3.8 auf das Kernmaterial die Impedanz um 2.5 bis 3 Ohm erhöhen. Als nächsten Schritt fügen wir nun ein drittes Dielektrikum in Form von Harz zwischen die Leiterbahnen ein. Zur Kontrolle wird zunächst der Harzwert gleich dem Wert des Prepregs gesetzt. Wie erwartet ergibt der Field Solver fast identische Werte. Im nächsten Schritt wird die Auswirkung von reinem Harz zwischen den Leiterbahnen untersucht. In diesem Fall wird das e _r zwischen den Leiterbahnen auf 3.2 reduziert. Mit diesem zusätzlichen Harzanteil wird die Impedanz um weitere 1.0 bis 1.5 Ohm ansteigen.

Dieses Ergebnis verdeutlicht, wie die vereinfachte Annahme dass FR4 einen homogenen e _r -Wert von 4.2 aufweist, zu Abweichungen zwischen vorausberechneter und gefertigter Impedanz führt. Dieser Effekt wird weiter verstärkt, wenn die harzreichen Abschnitte zwischen differentiellen oder koplanaren Strukturen berücksichtigt werden.

Zusätzlich zu den Auswirkungen von harzreichen Anteilen zeigt die Tabelle 1 wie die Flankenneigung zu weiteren Abweichungen zwischen berechneter und gemessener Impedanz führen kann. Da die zunehmende Trapezform den harzreichen Abschnitt vergrößert, wird deutlich, dass dadurch weitere Ungenauigkeiten bei der Berechnung entstehen. Durch eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Geometrie durch Anfertigung von Schliffbildern und durch die Messung von Produktionsmustern können diese Abweichungen minimiert werden. Tabelle 1 zeigt, wie die Flankenneigung bei einer Veränderung von 0 bis 10 µm zu einer Impedanzabweichung von über 5 Ohm zwischen berechneten und gemessenen Werten führen kann.  

Die Meßausrüstung weist ebenfalls eine eigene Toleranz auf, welche zu weiteren Abweichungen führen kann. Die Untersuchungen dieser Auswirkungen sind jedoch nicht Gegenstand dieses Beitrags.

Basierend auf einer differentiellen Impedanzberechnung und der Annahme dass die Dielektrizitätskonstante für einen FR4-Kern und Prepreg bei 4.2 liegt, zeigen die Ergebnisse, dass der Harzfluss zwischen differentielle Leiterbahnen die Impedanz bei einer Embedded Microstrip um 3.5 - 4.0 Ohm und bei einer Stripline um 3.0 - 3.5 Ohm erhöhen kann.  

Die Berechnungen zeigen auch, dass die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften von Kern und Prepreg berücksichtigt werden müssen. Die Dielektrizitätskonstanten unterscheiden sich aufgrund abweichender Glas/Harz-Verhältnisse.

Weiters zeigen die Berechnungen, dass genaue Kenntnisse über die tatsächliche Leiterbahngeometrie und der Flankenform vorhanden sein müssen.

1. Si6000 software, Polar Instruments.
2. Alan Staniforth, Gary Rich, Chris Gregg, Calculation of the Differential Impedance of Tracks on FR4 Substrates. Proceedings IPC Conference, April 2000, pp S11-1-1 to S11-1-5.

Wir freuen uns über Ihre Anfragen. Kontaktieren Sie bitte Hermann Reischer unter hermann.reischer@polarinstruments.com

Polar Instruments Ltd

polarinstruments.com
mail@polarinstruments.com

Tel: +44 1481 253081 Fax: +44 1481 252476 © Polar Instruments 2002